Hüvasti peeglid: see teleskoop võib koguda 100 korda rohkem valgust kui James Webb

Astronoomid on avastanud rohkem kui 5,000 planeeti väljaspool Päikesesüsteemi kuupäevani. Suur küsimus on, kas ükskõik milline neist planeetidest on koduks elule. Vastuse leidmiseks vajavad astronoomid tõenäoliselt võimsamad teleskoobid kui täna olemas on.

ma olen astronoom, kes õpib astrobioloogiat ja planeedid kaugete tähtede ümber. Viimased seitse aastat olen juhtinud meeskonda, mis töötab välja uut tüüpi kosmoseteleskoopi, mis suudaks koguda sada korda rohkem valgust kui James Webb kosmoseteleskoop, suurim kosmoseteleskoop, mis eales ehitatud.

Peaaegu kõik kosmoseteleskoobid, sealhulgas Hubble ja Webb, koguvad valgust peeglite abil. Meie pakutud teleskoop, Nautiluse kosmoseobservatoorium, asendaks suured ja rasked peeglid uudse õhukese objektiiviga, mis on palju kergem, odavam ja lihtsam toota kui peegelteleskoobid. Nende erinevuste tõttu oleks võimalik saata orbiidile palju üksikuid üksusi ja luua võimas teleskoopide võrgustik.

Vajadus suuremate teleskoopide järele

Eksoplaneedid – planeedid, mis tiirlevad ümber muude tähtede peale päikese – on eluotsingute peamised sihtmärgid. Astronoomid peavad kasutama hiiglaslikke kosmoseteleskoope, mis koguvad tohutul hulgal valgust uurige neid nõrku ja kaugeid objekte.

Olemasolevad teleskoobid suudavad tuvastada nii väikseid eksoplaneete kui Maa. Kuid nende planeetide keemilise koostise tundmaõppimiseks on vaja palju rohkem tundlikkust. Isegi James Webbi kosmoseteleskoop on otsimiseks vaevalt piisavalt võimas teatud eksoplaneedid eluvihjete leidmiseks- nimelt gaasid atmosfääris.

Webb maksis rohkem kui 8 miljardit dollarit ja selle ehitamiseks kulus üle 20 aasta. Järgmise lipulaeva teleskoobi lendu ei oodata enne 2045. aastat ja seda tehakse hinnanguliselt maksis 11 miljardit dollarit. Need ambitsioonikad teleskoobiprojektid on alati kallid, töömahukad ja loovad ühe võimsa, kuid väga spetsialiseerunud vaatluskeskuse.

Uut tüüpi teleskoop

2016. aastal kosmosehiiglane Northrop Grumman kutsus mind ja veel 14 professorit ja NASA teadlast – kõik eksoplaneetide ja maavälise elu otsimise eksperdid – Los Angelesse, et vastata ühele küsimusele: millised näevad välja eksoplaneedi kosmoseteleskoobid 50 aasta pärast?

Aruteludes mõistsime, et võimsamate teleskoopide ehitamist takistav peamine kitsaskoht on suuremate peeglite valmistamine ja nende orbiidile viimine. Selle kitsaskoha ületamiseks tulid mõned meist välja ideega vaadata uuesti läbi vana tehnoloogia, mida nimetatakse difraktsiooniläätsedeks.

Tavalised läätsed kasutavad valguse teravustamiseks murdumist. Murdumine on siis, kui valgus muudab suunda kui see liigub ühest keskkonnast teise – see on põhjus, miks valgus vette sattudes paindub. Seevastu difraktsioon on see, kui valgus paindub ümber nurkade ja takistuste. Klaaspinnal nutikalt paigutatud astmete ja nurkade muster võib moodustada difraktsiooniläätse.

Esimesed sellised läätsed leiutas prantsuse teadlane Augustin-Jean Fresnel aastal 1819, et pakkuda kergeid läätsi. tuletornid. Tänapäeval võib sarnaseid difraktsioonläätsi leida paljudes väikesemõõtmelistes tarbeoptikas, alates kaamera objektiivid et virtuaalreaalsuse peakomplektid.

Õhukesed lihtsad difraktsiooniläätsed on kurikuulsad oma uduste piltide poolest, seega pole neid kunagi astronoomilistes vaatluskeskustes kasutatud. Kuid kui saaksite nende selgust parandada, võimaldaks difraktsiooniläätsede kasutamine peeglite või murdumisläätsede asemel kosmoseteleskoobil olla palju odavam, kergem ja suurem.

Õhuke kõrge eraldusvõimega objektiiv

Pärast kohtumist pöördusin tagasi Arizona ülikooli ja otsustasin uurida, kas kaasaegne tehnoloogia suudab toota parema pildikvaliteediga difraktsioonläätsi. Minu õnneks, Thomas Milster— üks maailma juhtivaid difraktsiooniläätsede disaini eksperte — töötab minu kõrvalhoones. Moodustasime meeskonna ja asusime tööle.

Järgmise kahe aasta jooksul leiutas meie meeskond uut tüüpi difraktsiooniläätse, mis nõudis uusi tootmistehnoloogiaid, et söövitada läbipaistvale klaasile või plastile keeruline pisikeste soonte muster. Lõigete spetsiifiline muster ja kuju teravustab sissetuleva valguse ühte punkti objektiivi taga. Uus disain toodab a peaaegu täiusliku kvaliteediga pilt, palju parem kui varasemad difraktsiooniläätsed.

Kuna teravustamist teeb objektiivi pinna tekstuur, mitte paksus, saate objektiivi hõlpsalt suuremaks muuta. hoides seda väga õhuke ja kerge. Suuremad läätsed koguvad rohkem valgust ja väike kaal tähendab odavamad kaatrid orbiidile- mõlemad suurepärased omadused kosmoseteleskoobi jaoks.

2018. aasta augustis valmistas meie meeskond esimese prototüübi, kahetollise (viiesentimeetrise) läbimõõduga objektiivi. Järgmise viie aasta jooksul parandasime veelgi pildikvaliteeti ja suurendasime suurust. Nüüd on valmimas 10-tollise (24 cm) läbimõõduga objektiiv, mis on rohkem kui 10 korda kergem kui tavaline murdumislääts.

Difraktsioonilise kosmoseteleskoobi võimsus

See uus objektiivi disain võimaldab ümber mõelda, kuidas kosmoseteleskoopi ehitada. 2019. aastal avaldas meie meeskond kontseptsiooni nimega the Nautiluse kosmoseobservatoorium.

Uut tehnoloogiat kasutades arvab meie meeskond, et on võimalik ehitada 29.5 jala (8.5 meetri) läbimõõduga objektiiv, mis oleks vaid umbes 0.2 tolli (0.5 cm) paks. Meie uue teleskoobi objektiiv ja tugistruktuur võivad kaaluda umbes 1,100 naela (500 kilogrammi). See on enam kui kolm korda kergem kui Webb-stiilis sarnase suurusega peegel ja oleks suurem kui Webbi 21 jala (6.5 meetri) läbimõõduga peegel.

Objektiividel on ka muid eeliseid. Esiteks, nad on palju lihtsam ja kiirem valmistada kui peeglid ja seda saab teha massiliselt. Teiseks töötavad objektiivipõhised teleskoobid hästi isegi siis, kui need pole ideaalselt joondatud, muutes nende teleskoopide hõlpsamaks koondama ja lendavad kosmoses kui peeglipõhised teleskoobid, mis nõuavad ülitäpset joondamist.

Lõpuks, kuna üks Nautiluse seade oleks kerge ja suhteliselt odav toota, oleks võimalik neid kümneid orbiidile viia. Meie praegune disain ei ole tegelikult üks teleskoop, vaid 35 üksikust teleskoobiüksusest koosnev tähtkuju.

Iga individuaalne teleskoop oleks sõltumatu, väga tundlik vaatluskeskus, mis suudab koguda rohkem valgust kui Webb. Kuid Nautiluse tegelik jõud tuleneks kõigi üksikute teleskoopide pööramisest ühe sihtmärgi poole.

Kõigi üksuste andmete kombineerimisel oleks Nautiluse valguse kogumise võimsus võrdne Webbist peaaegu 10 korda suurema teleskoobiga. Selle võimsa teleskoobiga saavad astronoomid otsida sadadelt eksoplaneetidelt atmosfäärigaase, mis võivad viitavad maavälisele elule.

Kuigi Nautiluse kosmoseobservatoorium on käivitamisest veel kaugel, on meie meeskond teinud palju edusamme. Oleme näidanud, et kõik tehnoloogia aspektid töötavad väikesemahulistes prototüüpides ja keskendume nüüd 3.3 jala (1-meetrise) läbimõõduga objektiivi ehitamisele. Meie järgmised sammud on saata teleskoobi väike versioon kõrgmäestiku õhupalliga kosmose servale.

Sellega oleme valmis pakkuma NASA-le välja revolutsioonilise uue kosmoseteleskoobi ja loodetavasti oleme teel sadade maailmade uurimisele elumärkide saamiseks.

See artikkel avaldatakse uuesti Vestlus Creative Commonsi litsentsi all. Loe algse artikli.

Image Credit: Katie Yung, Daniel Apai / Arizona ülikool ja AllThingsSpace / SketchFab, CC BY-ND. Kerge ja odava kosmoseteleskoobi konstruktsioon võimaldaks paigutada korraga ruumi palju üksikuid üksusi.

• SEO-põhise sisu ja PR-levi. Võimenduge juba täna.
• PlatoData.Network Vertikaalne generatiivne Ai. Jõustage ennast. Juurdepääs siia.
• PlatoAiStream. Web3 luure. Täiustatud teadmised. Juurdepääs siia.
• PlatoESG. Autod/elektrisõidukid, Süsinik, CleanTech, Energia, Keskkond päikeseenergia, Jäätmekäitluse. Juurdepääs siia.
• BlockOffsets. Keskkonnakompensatsiooni omandi ajakohastamine. Juurdepääs siia.
• Allikas: https://singularityhub.com/2023/07/12/a-thin-lensed-telescope-design-could-surpass-james-webb-goodbye-mirrors-hello-diffractive-lenses/